Fizycy potwierdzili istnienie „ujemnego czasu”. Jak to możliwe?
Nowy eksperyment potwierdza, że fotony mogą spędzić ujemną ilość czasu w chmurze atomów. To nie oznacza podróży w przeszłość, ale ujawnia kolejną zdumiewającą właściwość świata kwantów.
Wyobraź sobie, że wychodzisz z pokoju, zanim do niego wszedłeś. Brzmi jak science fiction? A jednak na poziomie kwantowym coś podobnego może się zdarzyć. Gdy wiązka światła przechodzi przez chmurę atomów, fotony – cząsteczki światła – potrafią opuścić ją, zanim jeszcze do niej dotrą. Fizycy potwierdzili właśnie to zjawisko, ale zamiast budować wehikuł czasu, po prostu… zapytali o zdanie atomy.
Co to znaczy, że czas jest ujemny?
→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią
Kiedy foton przelatuje przez chmurę atomów, może zostać przez nie chwilowo pochłonięty. Znika wtedy jako cząstka światła i zamienia się w wzbudzenie atomowe – rodzaj zmagazynowanej energii. Po pewnym czasie atom emituje foton z powrotem.
Już w 1993 roku eksperymenty sugerowały, że fotony, które przebiją się przez chmurę (tzw. fotony transmitowane), docierają do detektora wcześniej, niż środek impulsu świetlnego w ogóle wchodzi w chmurę. To sugerowało ujemny czas tranzytu. Problem polegał na tym, że fotony z przodu impulsu mają większą szansę na przebicie się niż te z tyłu. Jeśli patrzy się tylko na te, które przeszły, wyglądają po prostu na wcześniejsze – to mogło być zwykłe wyjaśnienie, bez żadnej kwantowej magii.
Zapytali atomy o zdanie
→ Czytaj też: Naukowcy potwierdzili istnienie czasu bez zegara. Jak to możliwe?
W nowym badaniu opublikowanym 13 kwietnia w czasopiśmie Physical Review Letters fizycy postanowili rozwiązać zagadkę inaczej. Zamiast obserwować, kiedy foton dociera do detektora, postanowili sprawdzić, jak długo atomy pozostają w stanie wzbudzonym podczas przelotu fotonu. Innymi słowy – „zapytali” atomów, ile czasu foton u nich spędził.
Gdy foton zostaje pochłonięty przez atom, energia ta wprawia atom w stan wzbudzony. Atom pozostaje w nim, dopóki nie wyemituje fotonu z powrotem. Mierząc czas trwania tego wzbudzenia, można dowiedzieć się, jak długo foton był „zaklęty” w atomie. Zespół badawczy użył do tego drugiej wiązki światła, która – w zależności od poziomu wzbudzenia atomów – ulegała subtelnej zmianie fazy. Stała się ona „na żywo” odczytem tego, co atomy przeżywają w każdej chwili.
„Atomy też dadzą ci odpowiedź, która jest liczbą ujemną” – powiedział dla Live Science Howard Wiseman, współautor badania i teoretyk fizyki kwantowej z Griffith University w Australii.
Milion powtórzeń, by ujrzeć sygnał
Uzyskanie tej odpowiedzi nie było proste. Pomiar układu kwantowego zawsze go zakłóca. W tym przypadku ryzyko było takie, że pomiar uniemożliwi pochłonięcie fotonu. Dlatego naukowcy zastosowali słabe pomiary (weak measurements) – delikatne, ale niezwykle „hałaśliwe”. Pojedynczy pomiar był całkowicie zdominowany przez przypadkowe fluktuacje, przez co nie sposób było odróżnić sygnału od szumu. Dopiero po uśrednieniu około miliona powtórzeń wyłonił się wyraźny sygnał. Łącznie, dla siedmiu zestawów parametrów eksperymentalnych, zbieranie danych trwało około 70 godzin.
Co ważne, wyniki te potwierdzają wcześniejsze, kontrowersyjne obserwacje. Atomy odpowiadają, że fotony transmitowane rzeczywiście spędzają z nimi ujemną ilość czasu – jakby opuszczały je, zanim do nich przybyły. Jednak – jak uspokaja Wiseman – nie oznacza to, że jesteśmy o krok od zbudowania wehikułu czasu: „Wszystko można zrozumieć za pomocą standardowej fizyki, to po prostu kolejna dziwna właściwość mechaniki kwantowej, której nikt się wcześniej nie spodziewał”.
Dlaczego to ważne?
To odkrycie nie tylko potwierdza, że ujemny czas na poziomie kwantowym jest realny, ale też pokazuje, jak wiele tajemnic wciąż kryje przed nami mechanika kwantowa. Zespół ma już w planach kolejny krok: zbadanie fotonów, które nie przebijają się przez chmurę, tylko rozpraszają się w przypadkowych kierunkach. Teoria przewiduje, że takie fotony niosą ze sobą dodatni czas wzbudzenia, który równoważy ujemny czas fotonów transmitowanych, utrzymując średnią dla całej wiązki na poziomie zerowym lub dodatnim. To przewidywanie nigdy nie zostało przetestowane.
Jak zauważył Wiseman, „nawet w tej naprawdę prostej rzeczy – oddziaływaniu fotonu z atomami – ludzie robili obliczenia prawie 100 lat temu. Sam fakt, że wciąż potrafi to zaskakiwać, jest interesujący”. Fizyka kwantowa wciąż ma przed nami wiele do odkrycia, a każdy taki eksperyment potwierdza, że rzeczywistość jest dziwniejsza, niż śniło się naszym filozofom.
